基于LoRa Mesh 的電纜接頭測溫系統(tǒng)在隧道運維中的應(yīng)用研究

周宜儐 黎云飛 唐文娟

0 引言

隨著智慧隧道的發(fā)展，用于智慧隧道建設(shè)的機電設(shè)備逐漸增多，使得隧道設(shè)備用電量急劇增加。而隧道環(huán)境下，配電柜均嵌入墻體安裝且無散熱裝置，內(nèi)部的電纜中間接頭處在長時間運行過程中，并由于松動或者材料選型因素會產(chǎn)生大量熱量，當(dāng)溫度超過電纜所能承受的臨界溫度時，其絕緣介質(zhì)熱穩(wěn)定性變差，易發(fā)生局部放電［1］，使電能傳輸發(fā)生故障，甚至發(fā)生短路、引燃等安全事故，繼而損壞供電電力線路，影響供電的可靠性和用電安全。此外，溫度過高還會加速電纜的老化，從而會降低電纜使用壽命。因此，實現(xiàn)隧道環(huán)境下電纜接頭溫度的實時監(jiān)測成為電纜安全和可靠供電的迫切需求。通過掌握隧道運行線路電纜接頭處溫度的變化狀況，并有針對性地動態(tài)調(diào)整負荷電流，能夠有效預(yù)防負荷電流過大導(dǎo)致的接頭溫度過高［2］的問題，提高電纜輸電效率并保障安全運營。

當(dāng)前隧道中常用的測溫的方法有：感溫監(jiān)測、紅外測溫、光纖測溫、點式測溫［3］等。感溫監(jiān)測是將感溫電纜貼敷在電纜護套上，雖結(jié)構(gòu)簡單且投資較少，但溫度預(yù)警值固定不能修改且無法實現(xiàn)實時測溫和故障位置確定的功能［4］。紅外測溫是采用紅外技術(shù)探測線纜所發(fā)出的熱輻射來檢測溫度值，其易受物體材質(zhì)和機柜濕度等室內(nèi)環(huán)境因素影響，故可靠性較低且實用性差［5］。光纖測溫是基于光波中的拉曼散射原理來監(jiān)測線纜溫度變化，具有較強的抗電磁輻射干擾能力［6］，但解調(diào)主機設(shè)備成本較高，不適合隧道場合大批量使用。點式測溫系統(tǒng)是利用熱阻或熱偶傳感器進行測溫［7］，其實現(xiàn)成本低，測量精度較高，適合電纜接頭測溫使用。

測溫系統(tǒng)除了兼顧溫度測量之外，還需要通過網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳功能。在隧道復(fù)雜環(huán)境下，傳統(tǒng)有線通訊方式存在布線難度大、施工成本高等問題，不適合推廣使用，而無線傳輸由于其安裝簡單、維護方便、成本適中等特點成為首選通訊技術(shù)，目前適用隧道內(nèi)無線通訊技術(shù)主要有ZigBee 技術(shù)和LoRa 技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是由ZigBee聯(lián)盟設(shè)計，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)行到3.0.1 版本，工作在2.4G 頻段，具有自組網(wǎng)、高傳輸速率、低功耗等特點，但傳輸距離短，不具備動態(tài)跳頻、通訊協(xié)議復(fù)雜、資料開放程度低，更適合智能家居場所使用。LoRa 技術(shù)是由美國SimTech 公司發(fā)布和推廣的一種基于頻移鍵控和正交幅度調(diào)制擴頻技術(shù)，可實現(xiàn)長距離、低功耗無線傳輸，具備傳輸距離遠、穿透能力強、低成本的特點，非常適合隧道、礦井等復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)無線通訊應(yīng)用。

LoRa Mesh 無線組網(wǎng)技術(shù)是基于LoRa 低功耗、長距離無線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲，具備多路徑傳播數(shù)據(jù)能力，可以實現(xiàn)節(jié)點之間的動態(tài)路由，讓單點節(jié)點以同時作為數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)中繼的一種Mesh 網(wǎng)絡(luò)。其具有以下特點：

（1）自組織網(wǎng)絡(luò)

具備自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，新的節(jié)點可以自動搜索鄰居節(jié)點網(wǎng)絡(luò)信號，并自動加入該網(wǎng)絡(luò)，而已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以自動升級為路由節(jié)點，已入網(wǎng)節(jié)點掉線后，自動尋找其他中繼節(jié)點重連。

（2）多跳網(wǎng)絡(luò)

采用多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)可以通過多個節(jié)點路徑進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，降低了數(shù)據(jù)丟失和延時等問題。同時，網(wǎng)絡(luò)支持融入信道跳頻技術(shù)，利用多通道進行通信，充分擴展信道容量，避免多徑干擾。

（3）雙向通訊

可以實現(xiàn)雙向通訊，即節(jié)點既可以作為發(fā)送端，也可以作為接收端，并在網(wǎng)絡(luò)上自動進行切換。

（4）低成本

無需采用昂貴的硬件設(shè)備和專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)部署人員即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的搭建和維護。

以上四點可以看出，LoRa Mesh 作為一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有獨特優(yōu)勢，非常適合在隧道環(huán)境下應(yīng)用。

本文針對傳統(tǒng)測溫方法難以兼顧高可靠性和低成本的問題，基于LoRa 無線傳輸技術(shù)特征優(yōu)勢，提出利用LoRa Mesh 無線組網(wǎng)通信技術(shù)并結(jié)合傳統(tǒng)點式測溫方法完成隧道供電電纜接頭測溫系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，通過實驗測試驗證了該系統(tǒng)能夠?qū)崟r測溫并且感測精度達到0.1℃，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心后可以實現(xiàn)現(xiàn)場溫度的監(jiān)控預(yù)警聯(lián)防聯(lián)動，可有效預(yù)防電纜中間接頭異常引發(fā)的電力電纜火災(zāi)事故發(fā)生。

1 測溫系統(tǒng)設(shè)計

電纜接頭測溫系統(tǒng)主要由測溫?zé)o線節(jié)點、無線網(wǎng)絡(luò)拓撲、采集網(wǎng)關(guān)主機、后臺監(jiān)控中心等部分組成，系統(tǒng)框架如圖1 所示。其中測溫?zé)o線節(jié)點對電纜中間接頭溫度進行實時采集，并通過無線網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)到采集網(wǎng)關(guān)主機，主機通過物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)布到后臺監(jiān)控中心，實現(xiàn)電纜中間接頭溫度數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測。

圖1 測溫系統(tǒng)框架圖

首先，測溫?zé)o線節(jié)點設(shè)計時需要考慮設(shè)備的整機功耗、溫度測量的精準(zhǔn)度、無線靈敏度、信號傳輸距離、整機成本等因素影響。故本文選擇STMicroelectronics 的STM32WLE5CBU6 作為節(jié)點主控處理芯片。該主控處理芯片基于Arm Cortex-M4 32 位RISC 內(nèi)核，工作頻率高達48MHz，集成高速存儲器和各種增強型I/O 和外設(shè)，采用自適應(yīng)實時加速器無等待操作閃存，實現(xiàn)高性能計算，支持實時處理數(shù)據(jù)，快速反應(yīng)電纜中間接頭處溫度異常變化，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。芯片內(nèi)置功能強大、超低功耗的無線電兼容LPWAN 解決方案，包括LoRa、（G）FSK、（G）MSK 和BPSK。其中LoRa 無線電具有高達-148dBm（10.4kHz，擴頻因子12 時）的接收靈敏度，能接收微弱的信號，進而實現(xiàn)在弱信號環(huán)境中的長距離通信，滿足隧道環(huán)境下測溫系統(tǒng)對傳輸距離和可靠性的要求。這款處理芯片在-40℃到105℃工作溫度范圍下可以實現(xiàn)停機電流1.07μA、待機電流360nA 的超低功耗運行模式，可有效降低設(shè)備節(jié)點的整體功耗以延長電池供電狀態(tài)下的續(xù)航能力。節(jié)點所選用的溫度傳感器為高精度PT100 熱電阻傳感器，具有很強的抗干擾能力，其零點漂移極小，測量精度高，在-200℃和650℃之間可以穩(wěn)定可靠工作，具有出色的適應(yīng)性。節(jié)點采用雙電源供電方式，內(nèi)置大容量鋰電池，同時支持外部直流供電和電池充電方式，以確保個別配電柜短期斷電情況下該節(jié)點依然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

其次，在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮了節(jié)點的安裝位置所處隧道環(huán)境下的無線反射、折射、多徑效應(yīng)等因素，采用LoRa Mesh 技術(shù)的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，其能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，還能增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和傳輸速率。節(jié)點啟動中繼入網(wǎng)時序圖如圖2 所示。在無線網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點既可以作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端，同時也可以作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。如果某個節(jié)點發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點可以通過Dijkstra 最短路徑算法找到其他傳輸路徑，這樣就能夠在節(jié)點之間建立多條冗余鏈路，保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。此外，研究過程中還為網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點預(yù)置了唯一UUID 和網(wǎng)絡(luò)密鑰，方便對節(jié)點所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行追蹤監(jiān)控和管理維護。

圖2 節(jié)點中繼入網(wǎng)時序圖

采集網(wǎng)關(guān)主機放置于隧道口的機房內(nèi)，采用1U機架式金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計，具備防雷、防靜電、防塵、抗震等優(yōu)勢，能夠適應(yīng)隧道復(fù)雜惡劣環(huán)境下的使用。如圖1 所示，主機內(nèi)部功能由LoRa 通信模塊、核心板數(shù)據(jù)處理和存儲模塊、GPS 定位模塊、4G 模塊、串口通訊模塊等組成。其中，LoRa 通訊模塊允許采集網(wǎng)關(guān)主機接入LoRa Mesh 網(wǎng)絡(luò)，進而查詢并接收部署于隧道內(nèi)的測溫節(jié)點的實時測量數(shù)據(jù)。GPS 定位模塊可提供主機實時的運行地理位置信息，有助于維護人員準(zhǔn)確導(dǎo)航至現(xiàn)場進行設(shè)備維護，提高維護效率和準(zhǔn)確性。主機支持以太網(wǎng)、4G、NB-IOT 等多種通信方式，可與后臺監(jiān)控中心建立穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

主機預(yù)留了RS485 和RS232 總線通訊接口，可用于接入機房內(nèi)的UPS 不間斷電源、電力監(jiān)控儀表、綜合保護裝置、配電管理單元裝置等電力監(jiān)控設(shè)備，可以遠程遙測實現(xiàn)負荷實時監(jiān)控和聯(lián)動保護。主機以Linux 操作系統(tǒng)核心板為主控，具備高性能的數(shù)據(jù)采集處理和本地存儲能力，可接收節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進行異常告警處理和本地數(shù)據(jù)存儲備份。主機與監(jiān)控中心后臺服務(wù)器通訊協(xié)議采用主流的MQTT 協(xié)議進行，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時推送和事件訂閱。在主機與監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)暢通的情況下，主機主動向監(jiān)控中心后臺服務(wù)器推送采集的節(jié)點存儲數(shù)據(jù)和實時測量數(shù)據(jù)；當(dāng)主機與監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)斷開時，主機離線存儲節(jié)點，采集數(shù)據(jù)，并運行離線監(jiān)控預(yù)警聯(lián)動操作托管業(yè)務(wù)程序，防止電纜頭溫度過高引發(fā)安全事故。主機數(shù)據(jù)采集和發(fā)布流程圖如圖3 所示。

圖3 主機數(shù)據(jù)采集和發(fā)布流程圖

2 系統(tǒng)測試與分析

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在廣西高速公路都巴路段隧道開展系統(tǒng)搭建與應(yīng)用測試。選取的試點隧道全長2892m，在16 個配電機柜上加裝電纜測溫?zé)o線節(jié)點。節(jié)點供電就近從機柜內(nèi)直供，通訊天線通過打孔的方式從機柜頂部引出并垂直固定到機柜面板。節(jié)點測溫傳感器緊貼電纜接頭處表面，用導(dǎo)熱雙面膠帶將兩者纏繞數(shù)圈后再用3M 膠帶緊固。采集網(wǎng)關(guān)主機安裝于隧道右洞機房弱電側(cè)機架處，主機天線從窗口縫隙引出至機房外。系統(tǒng)運行后，每隔10min 輪詢記錄一次各個節(jié)點的在線狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸時間和電纜接頭溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試界面如下圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)測試界面圖

圖4 中，設(shè)備MAC 地址為節(jié)點設(shè)備的ID，溫度監(jiān)測的精度可達0.1℃，系統(tǒng)界面還顯示節(jié)點的當(dāng)前電池電壓和電池供電狀態(tài)下的休眠值。設(shè)置休眠時間為5s，空閑等待時間為2s，界面上可以看出在每個節(jié)點的實時在線監(jiān)測溫度。

采集的數(shù)據(jù)時間間隔和采集序號可以生成節(jié)點數(shù)據(jù)響應(yīng)條形圖，如圖5 所示。從圖中可以看出，組網(wǎng)節(jié)點續(xù)傳數(shù)據(jù)響應(yīng)時間點各有不同，但都能在6s 內(nèi)響應(yīng)并回傳數(shù)據(jù)，且回傳數(shù)據(jù)均可以解析并顯示到測試工具，證明了該種無線傳輸穩(wěn)定可靠。

圖5 節(jié)點數(shù)據(jù)響應(yīng)條形圖

高速公路隧道環(huán)境下無線傳輸存在反射、折射、多徑效應(yīng)等不利因素，節(jié)點間安裝部署位置間距太遠，將會導(dǎo)致無線信號無法中繼交互，進而對LoRa Mesh 無線通信產(chǎn)生影響，因此有必要對節(jié)點間部署距離與通訊穩(wěn)定性做測試分析。在該試點隧道環(huán)境下測試的節(jié)點距離與數(shù)據(jù)丟包率數(shù)據(jù)，如表1 所示。測試節(jié)點發(fā)射功率設(shè)置為22dBm，頻段為470MHz，天線增益為3.5dBi，發(fā)送數(shù)據(jù)包均以100 個計數(shù)，通過接收有效數(shù)據(jù)包來計算通訊的丟包率。

表1 節(jié)點距離與數(shù)據(jù)丟包率數(shù)據(jù)表

通過丟包率與節(jié)點距離數(shù)據(jù)分析可知，節(jié)點部署間距在400m 范圍內(nèi)，節(jié)點間通訊丟包率能夠控制在2%以下。400m 的間距能夠適配絕大多數(shù)隧道內(nèi)配電柜的安裝位置距離，本次試點隧道的配電機柜平均間距約200m，系統(tǒng)在試驗中能夠?qū)崿F(xiàn)無線通訊穩(wěn)定可靠傳輸。

3 結(jié)論

本文基于LoRa Mesh 無線通信技術(shù)并結(jié)合溫度測量方法研究和設(shè)計了隧道環(huán)境下供電電纜中間接頭測溫系統(tǒng)。通過實驗測試表明該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娎|接頭溫度進行遠程、無線和高精度自動監(jiān)測。結(jié)合后臺監(jiān)控中心的事后分析，系統(tǒng)可有效防止中間接頭處溫度過高而導(dǎo)致的配電機柜線路故障，從而保證了配電供電的高效運行和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價值，可應(yīng)用于各類隧道機電設(shè)備的監(jiān)測和維護。